虚拟中国人足底韧带结构失效后的足弓负荷机制研究

目的　建立虚拟中国人的足内侧纵弓与外侧纵弓的有限元模型,研究跖腱膜松解术或足底韧带损伤后足骨与内在肌群的生物力学特性,探讨骨性结构、足底韧带、足底腱膜、足底固有肌群之间的协调作用机制。方法　采用虚拟中国人“女性1号”CT图像和MRI图像;采用非线性有限元方法进行足弓术后或韧带损伤后的平衡直立负荷状态仿真;并应用足底固有肌群的3种被动张力（微弱、适度、强烈）模拟术后或韧带损伤后的肌肉状态。结果　建立了虚拟中国人“女性1号”足内侧纵弓第2跖列与外侧纵弓第5跖列的生物力学有限元模型,计算得到内侧纵弓和外侧纵弓在平衡直立时,韧带损伤时,固有肌群活动时的张应力矢量图、压应力矢量图和von Mises应力整体分布数据。结论　跖腱膜松解术和足底韧带损伤等增加了足纵弓von Mises应力峰值,改变了张应力与压应力的流向;而足底固有肌活动的被动张力能降低足纵弓von Mises应力集中程度,调节张应力、压应力矢量接近平衡状态,减小了并发骨折和腱炎的危险性。骨性结构、韧带、腱膜、固有肌群的内在应力具有定量的相互调节功能。     

拇外翻足三维有限元模型构建及其第1、2跖列生物力学分析

目的 建立拇外翻足有限元模型,研究不同拉力下第1、2跖列的应力及位移变化情况。方法 将采集的拇外翻病人足部CT图像导入Mimics软件,重建足部三维骨骼模型;利用3-matic软件对重建模型进行网格划分与体网格生成;将优化处理过的模型导入ANSYS中进行有限元分析,通过改变拉力大小、方向验证拉力与第1、2跖列的应力、位移之间的关系。结果 对第1近节趾骨施加不同大小、方向的拉力,当力小于12 N时,随着拉力的增加,第1趾骨位移变化较为明显,拉力每增大2 N,位移约增加1 mm;当力大于12 N时,随着拉力的增加,第1趾骨应力不断增加,而位移只发生微小变化;而当力保持12 N不变,以15°间隔改变力的方向时,第1、2跖列的应力大小及其分布随方向的变化而改变,同时位移也会产生相应的变化,且当力的方向与第2趾骨方向越趋于垂直时,第1趾骨产生的位移越大。结论 有限元分析技术可以形象、准确地分析第1、2跖列在不同拉力下的应力及位移变化情况,为拇外翻矫形器的设计奠定基础。     

L3-L5三维非线性有限元模型的建立及其临床意义

本研究选择一位32岁正常男性,用CT扫描的方法,借助CATIAV5和MSC.Marc/MSC.Mentat软件,建立正常人L3-L5的三维非线性有限元模型。计算了模型在10N·m纯力矩作用下脊柱功能单位的平均刚度,参照前人尸体标本生物力学测试结果,验证了模型的有效性。本模型可用于进一步的临床生物力学研究。     

下颈椎三节段全椎板切除与侧块螺钉内固定三维有限元模型的建立

背景：随着颈椎后路手术技术的日益完善,侧块螺钉内固定技术已被广泛应用于颈椎的重建稳定性手术之中。然而,当前对于侧块螺钉内固定系统重建颈椎稳定性的有限元研究却很少。 目的：建立精细下颈椎(C3-C7)及三节段全椎板切除后应用侧块螺钉内固定重建的三维有限元模型,对重建后的下颈椎及内固定进行生物力学分析。 方法：采集1例30岁正常女性志愿者行全颈椎CT,得到Dicom数据集。应用Mimics 10.01、Geomagic Studio12.0、Solidworks2012、HyperMesh10.1、Abaqus 6.12软件建立下颈椎(C3-C7)完整模型、全椎板切除模型以及侧块螺钉内固定系统重建模型。分析重建模型在前屈、后伸、侧弯和旋转运动状态下的应力变化情况。 结果与结论：所建下颈椎有限元模型结构精细,外形逼真,共包含503 911个四面体单元,93 390个节点,并通过有效性验证。在软件中完成模拟手术过程,最终得到侧块螺钉内固定重建模型。侧块螺钉内固定系统对全椎板切除模型具有良好的稳定性,重建后颈椎的活动度远低于完整模型,且后伸时侧块螺钉内固定系统的应力最为集中。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

Clinical significance of musculoskeletal finite element model of the second and the fifth foot ray with metatarsal cavities and calcaneal sinus

Aim

The aim of this study was to establish musculoskeletal finite element (FE) model of the second and the fifth foot ray accounting for metatarsal cavities and calcaneal sinus. The model was then used to predict the effects of metatarsal cavities and calcaneal sinus on internal stresses/strains of plantar longitudinal arches.

Materials and methods

The geometry of foot bones and soft tissues were constructed by CT and MRI images of Virtual Chinese Human “female No. 1”. Two types of nonlinear FE models of sagittal foot rays were developed with or without metatarsal cavities and calcaneal sinus using ANSYS © software package. The sagittal trabecular architecture of metatarsals and calcaneus were obtained by cutting, defatting and bleaching fresh foot specimen of a cadaver.

Results

The model proposed was able to describe the isostatic stress flows in sagittal planes of plantar longitudinal arches. The size of metatarsal cavity or calcaneal sinus could affect stress/strain distributions on metatarsals and calcaneus, but had almost no effects on stress/strain of other foot bones and plantar soft tissues. During balance standing, the maximum von Mises stresses were predicted at the shaft and the basis of metatarsals, while the maximum strains of bony regions were found around metatarsal cavities. Among plantar soft tissues, relative high tensions were burdened by plantar fascia, followed by long plantar ligament. The minimum tensions occurred in plantar intrinsic muscles.

Conclusions

The study shows that the tension/compression stress flows are geometrically similar with the tension/compression trabecular architectures in sagittal sections of metatarsal and calcaneus. The FE predictions of stress/strain concentration on metatarsals and fascia are useful in enhancing biomechanical knowledge on metatarsal stress fractures and plantar fasciitis.

     

主动脉弓位移和变形情况的有限元分析

目的分析主动脉弓在恒定内压下的位移和变形情况,为主动脉弓部位的血流动力学研究和医学诊断提供一定的依据.方法利用ANSYS有限元软件建立主动脉弓的几何模型和有限元模型,通过加载恒定内压,求解计算得到主动脉弓的位移和变形.结果主动脉弓整体的轴线向近心端倾斜,近心端位移值最大,肋间动脉处位移值最小.在恒定内压作用下,直管段均匀膨胀,弯管段膨胀为椭圆形,且椭圆短轴沿"内""外"连线方向.     

Sensitivity and ex vivo validation of finite element models of the domestic pig cranium

A finite element (FE) validation and sensitivity study was undertaken on a modern domestic pig cranium. Bone strain data were collected ex vivo from strain gauges, and compared with results from specimen-specific FE models. An isotropic, homogeneous model was created, then input parameters were altered to investigate model sensitivity. Heterogeneous, isotropic models investigated the effects of a constant-thickness, stiffer outer layer (representing cortical bone) atop a more compliant interior (representing cancellous bone). Loading direction and placement of strain gauges were also varied, and the use of 2D membrane elements at strain gauge locations as a method of projecting 3D model strains into the plane of the gauge was investigated. The models correctly estimate the loading conditions of the experiment, yet at some locations fail to reproduce correct principal strain magnitudes, and hence strain ratios. Principal strain orientations are predicted well. The initial model was too stiff by approximately an order of magnitude. Introducing a compliant interior reported strain magnitudes more similar to the ex vivo results without notably affecting strain orientations, ratios or contour patterns, suggesting that this simple heterogeneity was the equivalent of reducing the overall stiffness of the model. Models were generally insensitive to moderate changes in loading direction or strain gauge placement, except in the squamosal portion of the zygomatic arch. The use of membrane elements made negligible differences to the reported strains. The models therefore seem most sensitive to changes in material properties, and suggest that failure to model local heterogeneity in material properties and structure of the bone may be responsible for discrepancies between the experimental and model results. This is partially attributable to a lack of resolution in the CT scans from which the model was built, and partially due to an absence of detailed material properties data for pig cranial bone. Thus, caution is advised when using FE models to estimate absolute numerical values of breaking stress and bite force unless detailed input parameters are available. However, if the objective is to compare relative differences between models, the fact that the strain environment is replicated well means that such investigations can be robust.     

不同材料赋值下股骨静力学有限元模型的力学仿真分析

文题释义： 材料赋值：由于人体骨骼结构复杂,由骨膜、皮质骨和松质骨构成,并且不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法。 股骨模型材料赋值：给股骨分配不同的材料属性成为建立个性化有限元模型的基本步骤,而且材料属性分配将对分析结果产生很大的影响。但是目前有关不同赋值方法对人体骨科生物力学仿真分析研究的影响还很少有全面系统的研究。 背景：不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法,而材料属性分配将对生物力学分析结果产生很大的影响。 目的：采用不同的材料属性赋值方法建立3种股骨有限元模型并进行有限元仿真分析,探究不同材料赋值方法对股骨有限元生物力学仿真分析的影响。 方法：采集志愿者股骨CT扫描数据,以DICOM格式文件导入Mimics医学影像处理软件重建股骨模型,对模型分别赋予3种不同的材料属性,即均一材料赋值、皮-松质骨赋值和灰度赋值,并将模型导入有限元分析软件Abaqus 6.14中,设置相同的载荷和边界条件进行应力及位移分析。 结果与结论：①3种股骨模型的应力输出结果相差不大,且均在合理范围内;②但是均一材料赋值股骨模型与皮-松质骨赋值股骨模型的最大应力主要分布于股骨干部位,而灰度赋值股骨模型的最大应力分布在股骨颈处,这也与现实状态下股骨骨折部位主要出现于股骨颈部位所吻合;③皮-松质骨赋值模型和灰度赋值模型输出的位移值基本一致;而均一材料赋值的股骨模型位移值最小,并且与其他2种模型位移量相差40%左右;④提示灰度赋值的方法能够较好地反映人体股骨的生物力学特性,从而可以更准确地模拟真实股骨的生物力学特征,这也为骨科生物力学进行有限元仿真建模提供了重要理论依据。 ORCID: 0000-0001-5075-7333(颜继英) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

基于CAD技术的个体化退变腰椎有限元模型库的建立

目的根据退变腰椎的形态特征,采用计算机辅助设计（computer aided design,CAD）方法精确建立不同形态改变的退变腰椎L4-L5运动节段三维有限元模型。方法采用改良的“非种子区域分割”以及非平行“最佳切割平面”等一系列新型CAD方法精确建立包括终板凹陷角、椎间盘高度、腰椎小关节角及椎间盘前凸角改变的L4-L5节段表面模型基本“结构模块”,表面模型数据导入ANSYS获得各“结构模块”有限元模型后,通过界面间的拼接粘贴构建不同形态改变的退变腰椎有限元模型并进行充分加载验证。结果所构建的有限元模型包含L4-L5节段所有重要解剖结构,正常和退变腰椎有限元模型预测结果与体外实验生物力学研究结果相符合。结论基于CT数据的新型CAD方法实现了个体化退变腰椎有限元模型库的建立。     

趾足底固有动脉趾端动脉弓及其分支的显微解剖

目的　解剖观测趾足底固有动脉趾端动脉弓及其分支的解剖学特点。 方法　选取新鲜成人足标本8只,分别经足背动脉灌注红色乳胶,对第2趾趾足底固有动脉进行显微解剖,观察趾足底固有动脉弓的出现概率,位置及其口径,趾端动脉弓发出的弓上动脉的起始部位,走行方向,分支数目及血管口径情况。 结果　第2趾趾足底固有动脉趾端动脉弓恒定,动脉弓的外径为0.5~0.8 mm,平均外径为0.64 mm,动脉弓距趾端的距离为9.5~13.0 mm,平均为11.1 mm。动脉弓上发出5支恒定的分支,即趾端弓上动脉,我们将其命名为第1~5支趾端弓上动脉（由胫侧至腓侧）。 结论 第2趾趾端动脉弓及其发出的弓上动脉解剖恒定,可以采用弓上动脉为蒂的微型轴型皮瓣改善第2足趾再造后外形。     

椎间盘高度降低及退变对腰椎生物力学影响的有限元分析

目的：分析椎间盘高度降低及退变对腰椎活动节段生物力学的影响。方法：首先采用一种新型CAD方法精确构建腰椎L4-5，活动节段正常高度椎间盘（NHD）、单纯高度降低椎间盘（PHDD）、椎间盘高度降低合并严重退变（DHDD）三种有限元模型。垂直压缩载荷下，分别对3种有限元模型的生物力学参数进行测试。结果：椎间盘高度降低及退变对腰椎活动节段轴向移位、后外侧椎间盘膨出、纤维环纤维应力最大值有明显的影响，DHDD模型的椎体一终板界面应力分布与NHD和PHDD模型明显不同。结论：高度降低后椎间盘刚度明显增加，DHDD最不易发生内层纤维环纤维破裂，关节突关节间隙与轴向移位比值是决定椎间盘承载力大小的关键因素，退变椎间盘对压缩应力有明显分散传递作用。     

后部结构切除对腰椎应力分布影响的三维有限元分析

本文应用三维有限元方法研究了后部结构切除后腰椎应力分布的变化.结果表明.后部结构切除对腰椎的应力分布未发生明显影响,但各部分的应力水平均有所上升。并就与此有关的临床问题进行了讨论.     

有限元法生物力学分析在青少年特发性脊柱侧凸治疗及病因研究中的应用

青少年特发性脊柱侧凸发病率较高且病情复杂,对青少年身心健康可造成显著影响,但其因病因不明,临床尚未形成治疗共识。近年来基于患者医学影像进行仿真建模的有限元法生物力学分析在青少年特发性脊柱侧凸治疗及其病因研究中已经有了一系列的应用。本文即从非手术治疗、手术治疗、病因研究、现有局限等角度对有限元法生物力学分析在青少年特发性脊柱侧凸中的应用进行综述,以期为临床实践及相关研究提供参考。